Атомный переход. Челябинские ученые моделируют металл будущего

Эти задачи и призвано решить компьютерное моделирование «поведения» сплавов на атомном уровне. Что высмотрели ученые в виртуальной атомной решетке? И что эти открытия могут дать реальному производству?

Тема, затрагивающая структуру вещества, вызвала большой интерес на научно-популярном лектории «Курилка Гутенберга». «ЮП» встретилась с его спикером, аспирантом кафедры компьютерного моделирования и нанотехнологий ЮУрГУ Ярославом Ридным.

Углерод «с присадкой»

— Какие проблемы возникают, например, при создании новых марок стали?

— Еще с древних времен известно, что углерод упрочняет железо, превращает его в сталь. Так были созданы легендарный булат и дамасская сталь. Но раньше приходилось перебирать множество комбинаций, на это уходили годы. Чтобы получить новую марку стали, проводили более 100 экспериментальных плавок. А компьютерное моделирование намного сократило эти сроки, удешевило исследования. Кроме того, пришло понимание того, почему у сплава появляются новые свойства.

Однако возникло и немало проблем: в железе углерод обычно преобразуется в карбиды, и сталь становится хрупкой. Чтобы уменьшить «карбидные кластеры», в расплавы вносят присадки — кремний, никель, алюминий, медь, кобальт. Но механизм их воздействия еще не изучен до конца, и чтобы «вычислить» нужный элемент и его соотношение в сплаве, мы применяем суперкомпьютерное моделирование процессов, происходящих в атомной решетке.

— И что уже удалось выяснить?

— Исследования взаимодействия атомов подтверждают классическую теорию Зинера-Хачатуряна о распределении атомов углерода в железе. В железе углерод растворяется в октапоры (октаэдрические пустоты-поры, окруженные шестью атомами двух соседних слоев) и расталкивает ближайшие атомы железа. В зависимости от того, в каком направлении происходит расталкивание атомов железа, октапоры делятся на x, y и z. В 40-х годах ХХ века американский металловед Кларенс Зинер предположил, что атомам углерода удобнее располагаться в октапорах одного вида, а позднее советский ученый Армен Хачатурян в 70-х развил эту теорию. А мы доказали, что атому углерода «комфортнее» находиться в октапорах определенного вида.

— Какова «научная ценность» IT-технологий?

— То, что некоторые неуглеродные добавки, например, кремний, упрочняют сталь, известно давно. Но почему это происходит? Один из главных результатов наших исследований — понимание того, что атом кремния отталкивает углерод. Если компьютерное моделирование на микро-и наноуровнях подтвердит, что наличие кремния уменьшает количество карбидных кластеров, это поможет созданию новых сплавов с заданными свойствами.

Квантовый расчет

— А будет ли у ваших исследований свое продолжение?

— Конечно. Мы пока только в начале пути — суперкомпьютерном моделировании квантово-механического уровня, и сделали расчет электронной структуры металла. Следующий шаг — расчет атомарного уровня — до 1 млрд атомов, затем — микроструктуры вещества, и наконец — непрерывных сред (реальный материал).

По нашим данным будут созданы потенциалы для молекулярно-динамического моделирования.

В нашей работе в отличие от предшественников моделирование проводилось не псевдопотенциальными методами, с учетом только валентных электронов, а полнопотенциальными, в которых проводится расчет всей электронной структуры.

— Но квантовые законы микромира очень отличаются от нашего, и элементарные частицы в нем зачастую ведут себя совершенно иначе…

— Все процессы в атомной решетке могут быть описаны с помощью уравнений австрийского ученого Эрвина Шредингера. Вычислив всю «энергетику» системы из группы атомов, мы определяем энергию их взаимодействия. И оказалось, что кремний отталкивает углерод, что является возможной причиной уменьшения карбидных кластеров. Но для того, чтобы подтвердить этот вывод, необходимо провести моделирование методами молекулярной динамики.

Прочнее стали?

— Крепость стали зависит и от примесей водорода…

— Это так. Накопление в ней водорода ведет к образованию пузырьков-флокенов, которые делают сталь хрупкой. Чтобы избавиться от него, ученый нашей кафедры Максим Ракитин (он теперь работает в США) в свое время разработал систему квантово-механического моделирования, позволяющую связывать водород такими примесными атомами, как палладий, титан, хром, ванадий. Его исследования продолжает кандидат физико-математических наук Анастасия Верховых.

— А как сказывается на свойствах стали самый распространенный в атмосфере газ — азот?

— Он укрепляет сталь, но для сплава нужен почти не встречающийся в природе атомарный азот. Для его получения в металлургии применяют аммиак, расщепляя его на азот и водород.

— Влияет ли на свойства железа его магнетизм? А если его не будет?

— Мы изучали и это явление. К примеру, как поведут себя атомы в парамагнитном состоянии, когда железо при нагреве до 770 градусов Цельсия теряет магнетизм? Но было непонятно, как провести виртуальное моделирование парамагнитного состояния, когда атомы железа разориентированы случайным образом. Мы применили метод усреднения результатов компьютерного моделирования и выяснили, что атомы углерода, взаимодействуя между собой, отталкиваются. А это напрямую влияет на качество стали.

Продолжая исследования, мы методом Монте-Карло получили физическую величину активности атомов, которую легко измерить. И определили точку экстремума наиболее сильного отталкивания атомов углерода, после чего оно ослабевает и стремится к нулю.

Путь Бейна

— И все-таки, где тот «волшебный момент», когда хрупкое железо превращается в прочную сталь?

— Упрочнение стали происходит в ходе мартенситного перехода — нагрева, а затем резкого охлаждения. Так раскаленный металл-аустенит превращается в прочный и ковкий мартенсит. Это так называемая деформация Бейна, при которой путем сжатия изменяется атомная решетка материала. Как распределяются атомы углерода в разных фазах металла? Мы провели компьютерное моделирование процесса и выяснили, что они распределяются в мартенсите так же, как в аустените. Хотя изменилась атомная решетка, перераспределения углерода не произошло. Что подтверждает путь Бейна при деформации стали. На эту тему я готовлю статью для научного журнала.

— А когда выйдете на новый уровень исследований?

— Возможно, их продолжит аспирант нашей кафедры Павел Чирков, уже подготовивший кандидатскую на эту тему — компьютерное моделирование перераспределения углерода в решетке мартенсита при выдержке и нагревании.

Мы исследуем и другие новые сплавы. Несколько лет назад ученый нашей кафедры Марсель Ялалов получил концентрацию хрома в железе, при которой не происходило расслоения сплава. Позже результат был подтвержден экспериментально.

Сверхпроводник мечты?

— Какие открытия были сделаны за последнее время?

— Научной сенсацией мирового уровня можно назвать открытие, сделанное в Институте физики металлов УрО РАН в Екатеринбурге. Дело в том, что обычное чистое железо обладает объемоцентрированной (ОЦК) атомной решеткой кубической формы, а чистый никель обладает гранецентрированной (ГЦК) атомной решеткой кубической формы. В ходе экспериментов выяснилось, что у сплава железа с никелем совершенно другая, гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка, с 6 гранями. Было найдено и оптимальное соотношение особо прочного сплава: 32 % никеля, остальное — железо. А это может дать совершенно новый метод упрочнения стали!

Но пока непонятно, почему образуется шестигранная атомная решетка. Ученые РАН обратились к нам с предложением выяснить это в рамках научной кооперации. Уже проводим расчеты методами компьютерного моделирования. Необычная для сплавов железа ГПУ-решетка характерна для бериллия, кадмия, цинка и других металлов, почти не поддающихся коррозии. И есть реальная надежда, что IT-технологии помогут раскрыть природу атомного перехода.

— Какова реальная польза от ваших исследований? И есть ли к чему стремиться?

— Сфера применения сплавов с заранее заданными свойствами практически безгранична — от сельского хозяйства до космоса. Прочные и легкие сплавы титана незаменимы в аэрокосмической промышленности, а железо-никелевые, способные выдерживать колоссальные нагрузки, могут произвести революцию в кораблестроении, при создании ледоколов будущего.

Есть у меня и своя мечта — участвовать в создании высокотемпературного сверхпроводника, который не будет разрушаться под воздействием магнитных полей. Подобные сверхпроводники уже придуманы, но лишь для температур, близких к абсолютному нулю. А как создать сплав, который при передаче электроэнергии через сверхпроводник выдержит мощное магнитное поле? Даже если он сможет работать при температуре жидкого азота (не говоря о комнатной), это будет открытием века! Затраты на электроэнергию сократятся многократно, и мечта человечества о неиссякаемом «источнике силы» станет ближе…